面向切削过程监控的无线数据采集系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103331647 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103331647 A *CN103331647A* (21)申请号 201310280144.2 (22)申请日 2013.07.05 B23Q 17/09(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 张海峰 刘晓为 陈伟平 毛剑飞 (54) 发明名称 面向切削过程监控的无线数据采集系统 (57) 摘要 面向切削过程监控的无线数据采集系统， 它 属于属于机床状态监控技术领域。它是为了克服 传统有线式传感系统的安。

2、装不便、 不能贴近加工 位置获取物理参数等缺点。它的无线数据采集节 点中模拟信号调理与采集模块的多路信号输入端 连接有第二传感器、 第三传感器和多个第一传感 器， 无线数据采集节点的第一微型天线通过无线 高频载波信号与数据汇聚节点的外置天线数据连 通， 数据汇聚节点的接口保护模块与中心控制计 算机数据信号连通。所述无线数据采集节点和第 二传感器、 第三传感器和多个第一传感器都镶嵌 在旋转刀具内部。本发明实现了贴近切削加工位 置的旋转刀具中的多物理参数传感器数据的采集 与无线传输， 该数据采集和传输过程具有高数据 吞吐率的特征。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 。

3、3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103331647 A CN 103331647 A *CN103331647A* 1/2 页 2 1. 面向切削过程监控的无线数据采集系统， 其特征在于它是由无线数据采集节点 （1） 、 数据汇聚节点 （2） 、 中心控制计算机 （3） 组成 ； 所述无线数据采集节点 （1） 由模拟信号调理与采集模块 （1-1） 、 第一微控制器 （1-2） 、 第一射频收发模块 （1-3） 、 第一巴伦模块 （1-4） 、 第一微型天线 （1-5） 、 第一电源管理模块 （1。

4、-6） 组成 ； 模拟信号调理与采集模块 （1-1） 的多路信号输入端连接有第二传感器 （E2） 、 第三传感器 （E3） 和多个第一传感器 （E1） ； 模拟信号调理与采集模块 （1-1） 的多路数字信 号输出端都分别与第一微控制器 （1-2） 的多路数字信号输入端连接， 第一微控制器 （1-2） 的数据输出输入端与第一射频收发模块 （1-3） 的数据输入输出端连接， 第一射频收发模块 （1-3） 的高频载波信号输出输入端通过第一巴伦模块 （1-4） 与第一微型天线 （1-5） 连接， 第一电源管理模块 （1-6） 的电源输出端分别与模拟信号调理与采集模块 （1-1） 的电源输 入端、 微控。

5、制器 （1-2） 的电源输入端、 第一射频收发模块 （1-3） 的电源输入端连接 ； 所述数 据汇聚节点 （2） 由外置天线 （2-1） 、 射频前端模块 （2-2） 、 第二巴伦模块 （2-3） 、 第二射频收 发模块 （2-4） 、 第二微控制器 （2-5） 、 串行通信接口模块 （2-6） 、 接口保护模块 （2-7） 、 第二 电源管理模块 （2-8） 组成 ； 所述射频前端模块 （2-2） 由第一单刀双掷射频开关 （2-2-1） 、 功率放大器 （2-2-2） 、 低噪声放大器 （2-2-3） 、 射频滤波器 （2-2-4） 、 第二单刀双掷射频开 关 （2-2-5） 组成 ； 第一。

6、单刀双掷射频开关 （2-2-1） 的一个不动端通过功率放大器 （2-2-2） 与第二单刀双掷射频开关 （2-2-5） 的一个不动端连接， 第一单刀双掷射频开关 （2-2-1） 的 另一个不动端通过低噪声放大器 （2-2-3） 、 射频滤波器 （2-2-4） 与第二单刀双掷射频开关 （2-2-5） 的另一个不动端连接 ； 外置天线 （2-1） 的高频载波信号输出输入端与第二单刀双 掷射频开关 （2-2-5） 的动端连接 ； 第一单刀双掷射频开关 （2-2-1） 的动端通过第二巴伦 模块 （2-3） 与第二射频收发模块 （2-4）的高频载波信号输出输入连接， 第二射频收发模 块 （2-4） 的数据。

7、输入输出端与第二微控制器 （2-5） 的数据输入输出端连接， 第二微控制器 （2-5） 串行数据输出输入端通过串行通信接口模块 （2-6） 、 接口保护模块 （2-7） 与中心控制 计算机 （3） 数据信号连通 ； 第一单刀双掷射频开关 （2-2-1） 的控制端、 第二单刀双掷射频开 关 （2-2-5） 的控制端与第二微控制器 （2-5） 的控制输出端连接 ； 第二电源管理模块 （2-8） 的 电源输出端分别与射频前端模块 （2-2） 的电源输入端、 第二射频收发模块 （2-4） 的电源输 入端、 第二微控制器 （2-5） 的电源输入端、 串行通信接口模块 （2-6） 的电源输入端、 接口保 。

8、护模块 （2-7） 的电源输入端连接 ； 无线数据采集节点 （1） 的第一微型天线 （1-5） 通过无线高 频载波信号与数据汇聚节点 （2） 的外置天线 （2-1） 数据连通。 2. 根据权利要求 1 所述的面向切削过程监控的无线数据采集系统， 其特征在于所述 模拟信号调理与采集模块 （1-1） 由多个调制放大通道 （A） 、 放大滤波通道 （B） 、 放大解调滤 波通道 （C） 、 多路 AD 采样电路 （D） 组成 ； 所述每个调制放大通道 （A） 都由振荡器 （A-1） 、 第 一放大模块 （A-2） 、 第一解调模块 （A-3） 、 第一滤波模块 （A-4） 组成 ； 振荡器 （A-1。

9、） 的基频信 号输出端与第一传感器 （E1） 的一接线端连接， 振荡器 （A-1） 的基频信号输出端还与第一解 调模块 （A-3） 的基频信号输入端连接 ； 第一传感器 （E1） 的另一接线端通过第一放大模块 （A-2） 后与第一解调模块 （A-3） 的输入端连接 ； 第一解调模块 （A-3） 的输出端与第一滤波 模块 （A-4） 的输入端连接， 第一滤波模块 （A-4） 的输出端为调制放大通道 （A） 的模拟信号 输出端 ； 所述放大滤波通道 （B） 由第二放大模块 （B-1） 、 第二解调模块 （B-2） 、 第二滤波模块 （B-3） 组成 ； 第二放大模块 （B-1） 的信号输入端接有第。

10、二传感器 （E2） ， 所述第二传感器 （E2） 权 利 要 求 书 CN 103331647 A 2 2/2 页 3 为声发射传感器， 第二放大模块 （B-1） 的信号输出端通过第二解调模块 （B-2） 与第二滤波 模块 （B-3） 的信号输入端连接， 第二滤波模块 （B-3） 的信号输出端为放大滤波通道 （B） 的 信号输出端 ； 所述放大解调滤波通道 （C） 由第三放大模块 （C-1） 、 第三滤波模块 （C-2） 组成 ； 第三放大模块 （C-1） 的信号输入端接有第三传感器 （E3） ， 所述第三传感器 （E3） 为振动传感 器， 第三放大模块 （C-1） 的信号输出端与第三滤波模块。

11、 （C-2） 的信号输入端连接， 第三滤波 模块 （C-3） 的信号输出端为放大解调滤波通道 （C） 的信号输出端 ； 每个调制放大通道 （A） 的 信号输出端、 放大滤波通道 （B） 的信号输出端、 放大解调滤波通道 （C） 的信号输出端都分别 与多路 AD 采样电路 （D） 的多路信号输入端连接， 多路 AD 采样电路 （D） 的多路数字信号输出 端为模拟信号调理与采集模块 （1-1） 的多路数字信号输出端。 权 利 要 求 书 CN 103331647 A 3 1/4 页 4 面向切削过程监控的无线数据采集系统 技术领域 0001 本发明属于机床状态监控技术领域。 背景技术 0002 近。

12、年来， 在全球制造业竞争日益剧烈的背景下， 提高生产效率和降低成本成为企 业的重要追求目标， 机械加工的高速、 高效和高可靠性是提高企业生产效率的重要手段。 切 削制造技术正朝着智能化、 集成化和网络化的方向发展。刀具切削状态监测技术作为先进 制造技术的重要组成部分， 是在现代传感器技术、 信号处理技术、 计算机技术和制造技术基 础上发展起来的新兴技术， 它对于推动加工过程自动化具有极其重要的作用。刀具切削状 态监测通过检测各类传感器信号变化， 实时预测刀具的磨损和破损状态， 根据刀具状态检 测结果， 自动控制刀具进给以补偿刀具磨损导致零件尺寸和形状精度的变化。 因此， 对切削 传感技术提出了。

13、更高的要求和新的挑战。 0003 目前， 主要通过对切削过程中的切削力， 切削扭矩以及振动检测实现对刀具切 削状态的变化监测， 并用来预测刀具磨损和对刀具破坏的监测。传统机床状态在线监测 系统采用有线方式进行信号传递， 不可能贴近加工位置获取切削参数， 限制了使用范围。 2009 年， 美国新罕布什尔大学的设计与制造实验室 Suprock 博士开发了一种无线智能刀柄 （Smart Tool Holder） 。 该刀柄可由多种动态传感器 （如基于驻极电介质的加速度计和应变 计） ， 以及可作为传感器界面、 兼容 “蓝牙技术” 的数字发射器组成。该刀柄具有不影响刀具 的切削刚性、 可检测多物理参量。

14、、 价格低廉的特点。但是由于蓝牙技术有功耗高、 数据传输 距离较近、 工业环境下抗干扰能力差等缺点， 该系统没有得到广泛应用。综上所述， 目前还 没有一种广泛实用的面向切削过程监控的数据采集系统可以实现高速旋转刀具内部多物 理参数传感器信号的采集与无线发送。 发明内容 0004 为了克服传统有线式传感系统的安装不便、 不能贴近加工位置获取物理参数等缺 点， 本发明提供了一种面向切削过程监控的无线数据采集系统。 0005 所述面向切削过程监控的无线数据采集系统由无线数据采集节点、 数据汇聚节 点、 中心控制计算机组成 ； 所述无线数据采集节点由模拟信号调理与采集模块、 第一微控制器、 第一射频收。

15、发模 块、 第一巴伦模块、 第一微型天线、 第一电源管理模块组成 ； 模拟信号调理与采集模块的多 路信号输入端连接有第二传感器、 第三传感器和多个第一传感器 ； 模拟信号调理与采集模 块的多路数字信号输出端都分别与第一微控制器的多路数字信号输入端连接， 第一微控制 器的数据输出输入端与第一射频收发模块的数据输入输出端连接， 第一射频收发模块的高 频载波信号输出输入端通过第一巴伦模块与第一微型天线连接， 第一电源管理模块的电源 输出端分别与模拟信号调理与采集模块的电源输入端、 微控制器的电源输入端、 第一射频 收发模块的电源输入端连接 ； 所述数据汇聚节点由外置天线、 射频前端模块、 第二巴伦模。

16、 说 明 书 CN 103331647 A 4 2/4 页 5 块、 第二射频收发模块、 第二微控制器、 串行通信接口模块、 接口保护模块、 第二电源管理模 块组成 ； 所述射频前端模块由第一单刀双掷射频开关、 功率放大器、 低噪声放大器、 射频滤 波器、 第二单刀双掷射频开关组成 ； 第一单刀双掷射频开关的一个不动端通过功率放大器 与第二单刀双掷射频开关的一个不动端连接， 第一单刀双掷射频开关的另一个不动端通过 低噪声放大器、 射频滤波器与第二单刀双掷射频开关的另一个不动端连接 ； 外置天线的高 频载波信号输出输入端与第二单刀双掷射频开关的动端连接 ； 第一单刀双掷射频开关的动 端通过第二巴。

17、伦模块与第二射频收发模块的高频载波信号输出输入连接， 第二射频收发模 块的数据输入输出端与第二微控制器的数据输入输出端连接， 第二微控制器串行数据输出 输入端通过串行通信接口模块、 接口保护模块与中心控制计算机数据信号连通 ； 第一单刀 双掷射频开关的控制端、 第二单刀双掷射频开关的控制端与第二微控制器的控制输出端连 接 ； 第二电源管理模块的电源输出端分别与射频前端模块的电源输入端、 第二射频收发模 块的电源输入端、 第二微控制器的电源输入端、 串行通信接口模块的电源输入端、 接口保护 模块的电源输入端连接 ； 无线数据采集节点的第一微型天线通过无线高频载波信号与数据 汇聚节点的外置天线数据。

18、连通。 0006 本发明实现了贴近切削加工位置的旋转刀具中的多物理参数传感器数据的采集 与无线传输， 该数据采集和传输过程具有高数据吞吐率、 高可靠性、 低误码率的特征。 附图说明 0007 图 1 是的整体电路结构示意框图 ； 图 2 是图 1 中射频前端模块 2-2 的电路结构示意框图 ； 图3是图1中模拟信号调理与采集模块1-1连接第二传感器E2、 第三传感器E3和多个 第一传感器 E1 的电路结构示意框图。 具体实施方式 0008 具体实施方式一 ： 参见图 1、 图 2 进行说明， 本具体实施方式是由无线数据采集节 点 1、 数据汇聚节点 2、 中心控制计算机 3 组成 ； 所述无线。

19、数据采集节点 1 由模拟信号调理与采集模块 1-1、 第一微控制器 1-2、 第一射 频收发模块 1-3、 第一巴伦模块 1-4、 第一微型天线 1-5、 第一电源管理模块 1-6 组成 ； 模拟 信号调理与采集模块 1-1 的多路信号输入端连接有第二传感器 E2、 第三传感器 E3 和多个 第一传感器 E1 ； 模拟信号调理与采集模块 1-1 的多路数字信号输出端都分别与第一微控制 器 1-2 的多路数字信号输入端连接， 第一微控制器 1-2 的数据输出输入端与第一射频收发 模块 1-3 的数据输入输出端连接， 第一射频收发模块 1-3 的高频载波信号输出输入端通过 第一巴伦模块 1-4 与。

20、第一微型天线 1-5 连接， 第一电源管理模块 1-6 的电源输出端分别与 模拟信号调理与采集模块 1-1 的电源输入端、 微控制器 1-2 的电源输入端、 第一射频收发 模块 1-3 的电源输入端连接 ； 所述数据汇聚节点 2 由外置天线 2-1、 射频前端模块 2-2、 第 二巴伦模块2-3、 第二射频收发模块2-4、 第二微控制器2-5、 串行通信接口模块2-6、 接口保 护模块 2-7、 第二电源管理模块 2-8 组成 ； 所述射频前端模块 2-2 由第一单刀双掷射频开关 2-2-1、 功率放大器 2-2-2、 低噪声放大器 2-2-3、 射频滤波器 2-2-4、 第二单刀双掷射频开关。

21、 2-2-5 组成 ； 第一单刀双掷射频开关 2-2-1 的一个不动端通过功率放大器 2-2-2 与第二单 说 明 书 CN 103331647 A 5 3/4 页 6 刀双掷射频开关 2-2-5 的一个不动端连接， 第一单刀双掷射频开关 2-2-1 的另一个不动端 通过低噪声放大器 2-2-3、 射频滤波器 2-2-4 与第二单刀双掷射频开关 2-2-5 的另一个不 动端连接 ； 外置天线 2-1 的高频载波信号输出输入端与第二单刀双掷射频开关 2-2-5 的动 端连接 ； 第一单刀双掷射频开关 2-2-1 的动端通过第二巴伦模块 2-3 与第二射频收发模块 2-4 的高频载波信号输出输入连。

22、接， 第二射频收发模块 2-4 的数据输入输出端与第二微控 制器 2-5 的数据输入输出端连接， 第二微控制器 2-5 串行数据输出输入端通过串行通信接 口模块 2-6、 接口保护模块 2-7 与中心控制计算机 3 数据信号连通 ； 第一单刀双掷射频开关 2-2-1 的控制端、 第二单刀双掷射频开关 2-2-5 的控制端与第二微控制器 2-5 的控制输出 端连接 ； 第二电源管理模块2-8的电源输出端分别与射频前端模块2-2的电源输入端、 第二 射频收发模块 2-4 的电源输入端、 第二微控制器 2-5 的电源输入端、 串行通信接口模块 2-6 的电源输入端、 接口保护模块2-7的电源输入端连。

23、接 ； 无线数据采集节点1的第一微型天线 1-5 通过无线高频载波信号与数据汇聚节点 2 的外置天线 2-1 数据连通。 0009 所述无线数据采集节点 1 和第二传感器 E2、 第三传感器 E3 和多个第一传感器 E1 都镶嵌在旋转刀具内部， 第一传感器 E1 可分别为位移检测传感器、 扭矩检测传感器。 0010 所述第一巴伦模块1-4、 第二巴伦模块2-3采用Johanson Technology公司的集成 巴伦滤波器模块 0433BM15A0001。 0011 第一微型天线 1-5 采用微带贴片天线或者 LTCC 陶瓷天线。使用的 LTCC 陶瓷天线 为台湾 RainSun 公司生产的型。

24、号为 AN1603-433 的天线。 0012 第一电源管理模块 1-6 的采用型号为 BL8555 的超低噪声射频专用 LDO。 0013 无线数据采集节点1的第一微控制器1-2、 第一射频收发模块1-3集成在一片集成 电路中， 采用 TI 公司的集成了 8051 内核的单片 WSN 收发芯片 CC1110 实现 ； 数据汇聚节点 2 的第二微控制器 2-5、 第二射频收发模块 2-4 集成在一片集成电路中， 采用 TI 公司的集成 了 8051 内核的单片 WSN 收发芯片 CC1110 实现。 0014 第一单刀双掷射频开关 2-2-1、 第二单刀双掷射频开关 2-2-5 采用 Skyw。

25、orks 公司 的 AS193-73LF 单刀双掷射频开关。 0015 功率放大器 2-2-2 采用瑞萨公司的射频功放管 NESG270034 为核心设计的中功率 甲类线性功放。该功放采用有源偏置电路进行供电， 并且具有偏置使能 / 禁能功能， 以降低 待机功耗。 0016 低噪声放大器 2-2-3 采用 Hittite Microwave 公司的型号为 HMC356LP3 的集成低 噪声放大器芯片。 0017 射频滤波器 2-2-4 采用由射频电容和电感构成的二阶切比雪夫带通滤波器。 0018 外置天线 2-1 采用中心频率为 433MHz、 增益达到 10dBi 的棒状天线。 0019 串。

26、行通信接口模块 2-6 采用型号为 MAX3232 的 RS232 电平变换芯片。 0020 接口保护模块 2-7 采用击穿电压为 15V 的双向瞬态抑制二极管构成。 0021 第二电源管理模块 2-8 采用型号为 BL8555 的超低噪声 LDO 芯片构成。 0022 具体实施方式二 ： 参见图 3 进行说明， 本实施方式与具体实施方式一的不同点在 于所述模拟信号调理与采集模块 1-1 由多个调制放大通道 A、 放大滤波通道 B、 放大解调滤 波通道 C、 多路 AD 采样电路 D 组成 ； 所述每个调制放大通道 A 都由振荡器 A-1、 第一放大模 块A-2、 第一解调模块A-3、 第一滤。

27、波模块A-4组成 ； 振荡器A-1的基频信号输出端与第一传 说 明 书 CN 103331647 A 6 4/4 页 7 感器 E1 的一接线端连接， 振荡器 A-1 的基频信号输出端还与第一解调模块 A-3 的基频信号 输入端连接 ； 第一传感器E1的另一接线端通过第一放大模块A-2后与第一解调模块A-3的 输入端连接 ； 第一解调模块A-3的输出端与第一滤波模块A-4的输入端连接， 第一滤波模块 A-4 的输出端为调制放大通道 A 的模拟信号输出端 ； 所述放大滤波通道 B 由第二放大模块 B-1、 第二解调模块 B-2、 第二滤波模块 B-3 组成 ； 第二放大模块 B-1 的信号输入端。

28、接有第二 传感器 E2， 所述第二传感器 E2 为声发射传感器， 第二放大模块 B-1 的信号输出端通过第二 解调模块 B-2 与第二滤波模块 B-3 的信号输入端连接， 第二滤波模块 B-3 的信号输出端为 放大滤波通道 B 的信号输出端 ； 所述放大解调滤波通道 C 由第三放大模块 C-1、 第三滤波模 块 C-2 组成 ； 第三放大模块 C-1 的信号输入端接有第三传感器 E3， 所述第三传感器 E3 为振 动传感器， 第三放大模块C-1的信号输出端与第三滤波模块C-2的信号输入端连接， 第三滤 波模块 C-3 的信号输出端为放大解调滤波通道 C 的信号输出端 ； 每个调制放大通道 A 。

29、的信 号输出端、 放大滤波通道B的信号输出端、 放大解调滤波通道C的信号输出端都分别与多路 AD采样电路D的多路信号输入端连接， 多路AD采样电路D的多路数字信号输出端为模拟信 号调理与采集模块 1-1 的多路数字信号输出端。其它组成和连接关系与具体实施方式一相 同。 0023 振荡器A-1采用文氏振荡器。 第一放大模块A-2、 第二放大模块B-1、 第三放大模块 C-1采用OP07运算放大器芯片构成的高速放大电路。 第一解调模块A-3、 第二解调模块B-2 采用 AD630 芯片。第一滤波模块 A-4、 第二滤波模块 B-3、 第三滤波模块 C-2 采用由 LM324 高速高带宽运放组成的有。

30、源巴特沃斯滤波器。多路 AD 采样电路 D 采用 CC1110 芯片内部集 成的 8 通道 12 位 AD 转换器。 0024 工作原理 ： 以第一传感器 E1 为轴向位移检测传感器为例进行说明， 振荡器 A-1 采 用文氏桥振荡器震荡出频率为 100kHz 的高频载波正弦信号， 将传轴向位移检测感器输出 的基片信号进行调制后， 送入第一放大模块A-2中， 第一放大模块A-2将传感器的高频载波 信号与振荡器 A-1 输出的高频信号一起送入第一解调模块 A-3 进行相敏解调， 项目解调后 的信号经过有源第一滤波模块 A-4 进行低通滤波器， 得到反映出轴向位移的直流信号， 该 直流信号由送入 C。

31、C1110 芯片 AD 转换器的 0 通道 （CC1110 芯片的 P0.0 管脚） ； 第三传感器 E3 输出的信号经过第三放大模块 C-1 放大后， 经过第三滤波模块 C-2 滤波后由 CC1110 内 部的 AD 采样电路采样， 得到反映刀柄切削过程中轴向振动信息。第二传感器 E2 输出的信 号经过第二放大模块 B-1 后， 经第二解调模块 B-2 进行检波后， 送入第二滤波模块 B-3， 由 CC1110内部的AD采样电路进行采样， 得到刀柄的损伤信息。 从而实现对传感器输出模拟信 号的数据采集。 说 明 书 CN 103331647 A 7 1/3 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103331647 A 8 2/3 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103331647 A 9 3/3 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103331647 A 10 。